(57)【要約】【課題】一般的な（増幅を行わない）フェムト秒レーザ光でも高いテラヘルツ出力が得られる電磁波発生装置を提供する。【解決手段】本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた略帯状の第１電極と、前記半導体基板に、第１電極に並行する帯状の第２電極とを備え、前記第１電極は前記第２電極に向けて突出する先鋭凸部を有し、前記先鋭部は９０度未満の鋭角をもつ。また、先鋭凸部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを形成する光学素子を備える。【選択図】図１
2007324310.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた略帯状の第１電極と、
前記半導体基板に、第１電極に並行する帯状の第２電極と
を備え、
前記第１電極は前記第２電極に向けて突出する先鋭部を有し、
前記先鋭部は９０度未満の鋭角をもつ
ことを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２】
前記第１電極は、所定間隔で配置された複数の先鋭部を有し、
前記電磁波発生装置は、さらに、
先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを形成する光学素子を備える
ことを特徴とする請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた略帯状の複数の第１電極と、
前記半導体基板に、第１電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第２電極と、
集光素子と
を備え、
前記第１電極の各々は前記第２電極に向けて突出する複数の先鋭部を有し、
前記先鋭部は９０度未満の鋭角をもち、
前記集光素子は、先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを照射する
ことを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項４】
前記複数の第１電極は正電極であることを特徴とする請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項５】
前記複数の第１電極は、同じ向きの長手方向の一辺に前記複数の先鋭部を有し、
先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成する
ことを特徴とする請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項６】
前記電磁波発生装置は、さらに、
前記複数の集光スポット以外の領域に、光を低減させる膜が形成されている
ことを特徴とする請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項７】
前記光を低減させる膜は、光を反射する機能を有する
ことを特徴とする請求項６記載の電磁波発生装置。
【請求項８】
前記先鋭部の表面には保護膜を有する
ことを特徴とする請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項９】
前記複数の先鋭部は二次元状に配置されている
ことを特徴とする請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項１０】
前記複数の先鋭部は行列状に配置され、
各行が隣接する行に対して、または各列が隣接する列に対して、半ピッチずれて配置される
ことを特徴とする請求項７記載の電磁波発生装置。
【請求項１１】
前記集光素子は、複数のシリンドリカル形状を有する
ことを特徴とした請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項１２】
前記電磁波の主波長をλ、前記半導体基板の屈折率をｎとするとき、前記先鋭部の間隔はλ／２ｎに相当する
ことを特徴とした請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項１３】
前記複数の第１電極は、長手方向の両辺に前記複数の先鋭部を有し、
先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成し、
前記電磁波発生装置は、さらに、
前記各１電極の長手方向の第１の辺に対応する第１光伝導スイッチ群と、前記各第１電極の長手方向の第２の辺に対応する第２光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備える
ことを特徴とする請求項３記載の電磁波発生装置。
【請求項１４】
前記時間遅延素子は、光透過材料により形成され、第１光伝導スイッチ群および第２光伝導スイッチ群に対応する凹凸を有する
ことを特徴とする請求項１３記載の電磁波発生装置。
【請求項１５】
前記電磁波発生装置は、前記凹凸の高低差が異なる少なくとも２つの前記時間遅延素子を交換可能である
ことを特徴とする請求項１４記載の電磁波発生装置。
【請求項１６】
前記電磁波発生装置は、
前記凹凸の凸部および凹部に前記集光素子を備える
ことを特徴とした請求項１３項記載の電磁波発生装置。
【請求項１７】
前記時間遅延素子は、凹凸を有しない面に前記集光素子を有する
ことを特徴とした請求項１３項記載の電磁波発生装置。
【請求項１８】
前記時間遅延素子は前記半導体基板上に形成される
ことを特徴とした請求項１３項記載の電磁波発生装置。
【請求項１９】
照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板に設けられた帯状の複数の第１電極と、
前記半導体基板に、第１電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第２電極と
を備え、
前記第１電極と第２電極間に挟まれた領域は複数の光伝導スイッチを構成し、
前記電磁波発生装置は、さらに、
前記各１電極の長手方向の第１の辺に対応する第１光伝導スイッチ群と、前記各第１電極の長手方向の第２の辺に対応する第２光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備える
ことを特徴とする電磁波発生装置。
【請求項２０】
請求項３記載の電磁波発生装置の製造方法であって、
基板上に樹脂を形成し、
前記樹脂を熱処理することにより集光素子を形成する
ことを特徴とする電磁波発生装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置に関し、特に、短パルス光を用いてテラヘルツ電磁波を発生する電磁波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、０.１〜１０ＴＨｚの周波数を有する電磁波、いわゆるテラヘルツ波の研究開発が盛んである。このテラヘルツ波は、電波のもつ透過性と光のもつ集光性を有し、Ｘ線より安全な透過分析をすることができる。更には、多くの材料が、０.１〜１０ＴＨｚの周波数帯に固有の吸収スペクトルを有することから、材料、材質の特定が可能である。このため、テラヘルツ波はセキュリティ、バイオ、メディカル、食品加工、鮮度分析、産業応用などの分野で用いられることが期待されている。
【０００３】
テラヘルツ波を発生させる代表的手段として、図１６に示すような光伝導スイッチ素子を用いる（たとえば非特許文献１）。この素子では、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１（または半絶縁性ＧａＡｓ基板上に低温成長ＧａＡｓを形成した基板）上に金などの電極１０２、１０３が形成されている。電極には凸部１０２Ａ、１０３Ａがあり、これら凸部は電磁波放射用のアンテナとなっている。電極１０２、１０３には電圧源１０４が接続されている。電圧源１０４によりバイアス電圧が電極１０２、１０３間に印加されているが、電極間の半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１に自由キャリアがほとんど無いため、（無照射時には）電流は流れない。この電極凸部１０２Ａ、１０３Ａ間にフェムト秒レーザ光１０５（波長約８００ｎｍ、パルス幅約１００ｆｓ）を照射すると、照射されたスポット１０６では自由キャリア（電子・正孔）が生じ、電極凸部１０２Ａ、１０３Ａ間にパルス状電流が流れる。このパルス状電流により電磁波が発生し、主に基板１０１の裏面（電極が形成されていない面）から放射される。この電磁波の周波数は１〜２ＴＨｚまで有し、所謂、テラヘルツ波となる。
【０００４】
テラヘルツ波を用いた測定で信号対雑音比を向上させるためには、テラヘルツ波の出力が高いほうが望ましい。図１６の構造をアレイ化することにより、高出力化できることができる。その例を図１７に示す。類似の構造は、例えば特許文献１にみることができる。
【０００５】
半絶縁性ＧａＡｓ基板１０７（または半絶縁性基板に低温成長ＧａＡｓを成長させた基板）上に  電極１０８、１０９が形成されている。金電極は凸部分（１０８Ａ〜Ｅ、１０９Ａ〜Ｅ）を５組有し電磁波用の５組のアンテナとなっている。電極１０８、１０９間には電圧源１１０によりバイアス電圧が印加されている。電極凸部１０８Ａ〜Ｅ、１０９Ａ〜Ｅ間にフェムト秒レーザ光１１１を照射すると、照射されたスポット１１２では自由キャリア（電子・正孔）が生じ、電流が流れ、テラヘルツ波が放射される。テラヘルツ波の出力は、理想的には、(光伝導スイッチ素子１個あたりの出力)ｘ(素子数)２になる。
【０００６】
また別の従来例（非特許文献２）を図１８に示す。半絶縁性ＧａＡｓ基板１２０上に金／クロム電極１２１、１２２が３組形成されている。電圧源１２３により電極１２１には正電位が電極１２２には負電極が形成されている。各電極組の間には、逆位相の電磁波が放射されないよう、不透明膜１２４が形成されている。不透明膜はポリイミド層またはＳｉＯ２層をスペーサ層とした金／クロム膜から構成されている。入射フェムト秒レーザ１２５は拡大されスポット１２６のようになり、電極全域に照射される。この電極間の光伝道スイッチ素子からテラへルツ波が放射され、その結果、テラヘルツ波の放射が増大する。なお、この構成において電位が反転する光伝導スイッチ素子の部分は、不透明膜１２４により遮光されスイッチングされない。その結果、位相が反転したテラヘルツ波が出力されず、高出力を得ることができる。
【特許文献１】特開２０００-４９４０２号公報
【非特許文献１】谷正彦、山口真理子、米倉泰次郎、宮丸文章、山本晃司、萩行正憲、電子情報通信学会、vol.87 No.8 718 (2004)
【非特許文献２】A. Dreyhaupt, S. Winner, T. Dekorsy, and M. Helm, Applied Physics Lettetrs, vol. 86 121114 (2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１７のような構造では、各電極凸部１０８Ａ〜Ｅ、１０９Ａ〜Ｅ間にフェムト秒レーザ光を照射するため、スポット１１２を（図１６の場合に比べて）拡大しなければならない。また、光伝導スイッチ素子領域以外にもフェムト秒レーザが照射されるが、これらは電磁波発生に寄与しない。このため、同じフェムト秒レーザ光量のままでは、照射スポットにおける光量が減少→生成キャリア数が減り、パルス状電流の減少→光伝導スイッチ素子１個あたりの出力の低下→全テラヘルツ出力の低下となってしまう。同様な問題は、図１８の従来例でも起こる。特に、図１８の場合は、不透明膜１２４の領域が大きな損失になり、高出力フェムト秒レーザ光が必要である。
【０００８】
これに対し、特許文献１においては、拡大した入射光を分割し、レンズなどによって各光伝導スイッチ素子に集光させることが述べられている。しかし、単に拡大した光を集光するのみでは、十分な出力を得ることが困難である。
【０００９】
また、フェムト秒レーザ光を増幅し、レーザ光を強めて使用することも考えられるが、そのような増幅装置（例えば再生増幅型レーザ装置）は一般に大型／高価であり、実用上好ましくない。
【００１０】
更なる課題としては、二次元に光伝導スイッチ素子を配置すると、電位が反転する領域（すなわち放射電磁波を弱めてしまう領域）ができてしまう。図１８の場合には遮光領域を設けてることにより対処しているが、このような無効領域の存在により光伝導スイッチ素子が大型化し、チップコストを上げてしまう。
【００１１】
そこで本発明は、一般的な（増幅を行わない）フェムト秒レーザ光でも高いテラヘルツ出力が得られ、かつ、無効領域が少なくコストパフォーマンスが高い光伝導スイッチ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた略帯状の第１電極と、前記半導体基板に、第１電極に並行する帯状の第２電極とを備え、前記第１電極は前記第２電極に向けて突出する先鋭部を有し、前記先鋭部は９０度未満の鋭角をもつことを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、電界が集中する鋭い先鋭部を設けることで、キャリア生成が増大し強いパルス状電流が得られる。これらの結果、テラヘルツ出力を増大させることができる。
【００１４】
ここで、前記第１電極は、所定間隔で配置された複数の先鋭部を有し、前記電磁波発生装置は、さらに、先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを形成する光学素子を備えてもよい。
【００１５】
この構成によれば、光学素子によって、光の密度を高め無効な光照射を低減させることができる。これらの結果、さらに、テラヘルツ出力を増大させることができる。
【００１６】
また本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた略帯状の複数の第１電極と、前記半導体基板に、第１電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第２電極と、集光素子とを備え、前記第１電極の各々は前記第２電極に向けて突出する複数の先鋭部を有し、前記先鋭部は９０度未満の鋭角をもち、前記集光素子は、先鋭部の先端を含む複数の領域に複数の集光スポットを照射する。
【００１７】
この構成によれば、集光素子によって、光の密度を高め無効な光照射を低減させることができる。また、電界が集中する鋭い複数の先鋭部にレーザ光を集光することで、キャリア生成が増大し強いパルス状電流が得られる。これらの結果、テラヘルツ出力を増大させることができる。
【００１８】
ここで、前記複数の第１電極は正電極としてもよい。
生成した電子は正電極へ走行する。正電極近傍で電子を生成・加速させることにより、出射電磁波の周波数をより高くすることができる。すなわち、出力を広帯域化でき、分析などへの応用上有用である。なお、正孔の走行による電磁波放射は、電子によるものに比べると小さく、影響は無視できる。
【００１９】
ここで、前記複数の第１電極は、同じ向きの長手方向の一辺に前記複数の先鋭部を有し、先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成するようにしてもよい。
【００２０】
この構成によれば、各々の光伝導スイッチ素子の電位方向は同方向になる。同方向にすることにより、各アレイ素子から同位相の電磁波が放射され、出力が増加する。
【００２１】
ここで、前記電磁波発生装置は、さらに、前記複数の集光スポット以外の領域に、光を低減させる膜が形成されていてもよい。
【００２２】
この構成によれば、たとえば散乱光や迷光が電極間に照射されることにより、基板上に寄生光伝導スイッチ素子領域が発生することを防ぐ。
【００２３】
ここで、前記光を低減させる膜は、光を反射する機能を有していてもよい。
このような反射膜を形成することにより、光学集光素子と電極を有する基板とのアライメントが容易になる。
【００２４】
ここで、前記先鋭部の表面には保護膜を有していてもよい。
表面保護膜により、強い電界による空気放電を防ぐことができる。
【００２５】
ここで、前記複数の先鋭部は二次元状に配置されていてもよい。
この構成によれば、二次元アレイとすることにより、より多くの光出力を得ることができる。
【００２６】
ここで、前記複数の先鋭部は行列状に配置され、各行が隣接する行に対して、または各列が隣接する列に対して、半ピッチずれて配置されていてもよい。
【００２７】
この構成によれば、集光素子の各エレメント（例えば微小レンズ）を最密に配列することができ、各エレメント間の無効領域（集光されない領域など）を低減させることができる。この結果、高効率に動作する。
【００２８】
ここで、前記集光素子は、複数のシリンドリカル形状を有していてもよい。
集光素子の各エレメントをシリンドリカル形状とすることにより、作製が容易になる。
【００２９】
ここで、前記電磁波の主波長をλ、前記半導体基板の屈折率をｎとするとき、前記先鋭部の間隔はλ／２ｎに相当するようにしてもよい。
【００３０】
この構成によれば、先鋭部から放射される電磁波が共振し、より強い電磁波を放射することができる。
【００３１】
ここで、前記複数の第１電極は、長手方向の両辺に前記複数の先鋭部を有し、先鋭部の先端を含む領域のそれぞれは光伝導スイッチを構成し、前記電磁波発生装置は、さらに、前記各１電極の長手方向の第１の辺に対応する第１光伝導スイッチ群と、前記各第１電極の長手方向の第２の辺に対応する第２光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備えてもよい。
【００３２】
この構成によれば、二次元状に光伝導スイッチ素子を形成した基板で、（第１伝導スイッチ群と第２伝導スイッチ群とで印加電界方向が逆なため）遮光が必要な領域を除去することができる。すなわち、基板の無駄な領域を減らすことができ、コストパフォーマンスが向上する。
【００３３】
ここで、前記時間遅延素子は、光透過材料により形成され、第１光伝導スイッチ群および第２光伝導スイッチ群に対応する凹凸を有していてもよい。
【００３４】
この構成によれば、凸部を通過する光と、凹部を通過する光で時間遅延を付加することができ、周波数を制御できる。
【００３５】
ここで、前記電磁波発生装置は、前記凹凸の高低差が異なる少なくとも２つの前記時間遅延素子を交換可能としてもよい。
【００３６】
凹凸の高低差を変更することにより、出射電磁波を特定の周波数に狭帯域化することができる。
【００３７】
ここで、前記電磁波発生装置は、前記凹凸の凸部および凹部に前記集光素子を備えてもよい。
【００３８】
この構成によれば、入射光が集光し、効率よく光伝導スイッチングを行うことができる。
【００３９】
ここで、前記時間遅延素子は、凹凸を有しない面に前記集光素子を有していてもよい。
この構成によれば、集光素子の作製が容易になる。
【００４０】
ここで、前記時間遅延素子は前記半導体基板上に形成してもよい。
この構成によれば、装置全体を小型化することができる。
【００４１】
また、本発明の電磁波発生装置は、照射された光に基づいて電磁波を発生させる電磁波発生装置であって、半導体基板と、前記半導体基板に設けられた帯状の複数の第１電極と、前記半導体基板に、第１電極に並行して交互に設けられた、帯状の複数の第２電極と
を備え、前記第１電極と第２電極間に挟まれた領域は複数の光伝導スイッチを構成し、前記電磁波発生装置は、さらに、前記各１電極の長手方向の第１の辺に対応する第１光伝導スイッチ群と、前記各１電極の長手方向の第２の辺に対応する第２光伝導スイッチ群との間で、照射光に時間遅延を与える時間遅延素子を備える。
【００４２】
この構成によれば、二次元状に光伝導スイッチ素子を形成した基板で、（第１伝導スイッチ群と第２伝導スイッチ群とで印加電界方向が逆なため）遮光が必要な領域を除去することができる。すなわち、基板の無駄な領域を減らすことができ、コストパフォーマンスが向上する。
【００４３】
また本発明の電磁波発生装置の製造方法は、上記の電磁波発生装置の製造方法であって、基板上に樹脂を形成し、前記樹脂を熱処理することにより集光素子を形成することを特徴とする。
【００４４】
熱処理で樹脂が丸くなることを利用し、集光素子を作製する方法であり、容易に先鋭部分に対応した集光素子を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。この電磁波発生装置は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１、先鋭凸部を５を有する略帯状の複数の電極２、複数の電極３、不透明ポリマー６、光学素子として機能する石英基板８から構成される。また、電圧源４は、金電極２を正電極として、金電極２と金電極３との間に電圧を印加する。
【００４６】
厚さ３５０μｍの半絶縁性ＧａＡｓ基板１に幅１０μｍ、間隔１００μｍの金電極２、３が交互に形成されている。この金電極２、３は、図１の上下方向にピッチ１５０μｍで２０組存在する（図１では簡単のため、３組のみ示している）。電極２、３は電圧源４に接続されており、電極２が正電位、電極３が負電位になるように配線されている。電圧源４は一定電圧でもよいし、また、入射フェムト秒レーザ光と同期したパルス電圧を供給してもよい。電極２には、底辺１０μｍ、高さ１５μｍの二等辺三角形形状になる先鋭凸部５が、水平垂直方向ともに１５０μｍ間隔で２０個形成されている（図１では簡単のため、４個のみ示している）。
【００４７】
この間隔は、通常のダイポールアンテナからの電磁波の主周波数約０.５ＴＨｚ（主波長約６００μｍ）のλ／２（半波長）に相当し、共鳴状態となり電磁波が強まる（半絶縁性ＧａＡｓ基板の有効屈折率はおよそ２）。
【００４８】
先端部の角度は、鋭角であることが望ましく、本実施形態では約３６度である。従って先鋭凸部５と負電極３とから構成される複数の光伝導スイッチ素子は、全部で２０個ｘ２０組＝４００個存在する（下記のように入射レーザ光の直径が３ｍｍであるため、有効数は３００個程度になる）。さらに金電極２、３および光伝導スイッチ素子表面７以外の基板１表面は、８００ｎｍ帯の光を吸収する不透明ポリマー６が形成されている。この不透明ポリマー６により、散乱光や迷光による誤動作や逆位相の電磁波放射を抑制することができる。
【００４９】
一方、厚さ５００μｍの石英基板８上には、樹脂を用いたマイクロレンズ９が、２０個ｘ２０行形成されている（図１では簡単のため、４個ｘ３行のみ示している）。マイクロレンズ中心の間隔は水平方向、垂直方向ともに１５０μｍである。マイクロレンズが形成された基板８と電極が形成された基板１は、紫外線硬化樹脂により貼合わせてある（図１では説明のため、基板１と基板８は離して描いてある）。各マイクロレンズの形状および位置は、入射フェムト秒レーザ光の焦点が先鋭凸部５の頂点近傍になるように形成されている。
【００５０】
さて、光伝導スイッチ素子が１個しかない従来技術の場合（図１６の場合）、フェムト秒レーザ装置（スポット径約１ｍｍ）から出射した光を１０μｍ程度まで絞る。したがって、光伝導スイッチ素子における単位面積あたりの入射光量は、フェムト秒レーザ装置から出射した状態より１００００倍程度まで高まっている。
【００５１】
一方、複数の光伝導スイッチ素子がある本発明では以下のようになる。
(1)フェムト秒レーザ装置からスポット径約１ｍｍで出射したフェムト秒レーザ光１０は、予めビームエキスパンダなどにより、光伝導スイッチ素子とほぼ同じ大きさである直径約３ｍｍに拡大される。この拡大により、単位面積あたりの光量が約１/１０に低下する。
【００５２】
(2)図２に示すように、この光は、スポット１１として、各マイクロレンズ全面に入射する。例えば、マイクロレンズ１２に入射した光は、マイクロレンズの集光作用（１３）により、先鋭凸部５の先端付近に、スポット１４（直径約１０μｍ）として集光される。この集光作用により、単位面積あたりの光量が約２００倍に増加する。
【００５３】
したがって、(1)(2)トータルとして、光伝導スイッチ素子における単位面積あたりの入射光量は、フェムト秒レーザ装置から出射した状態より、２０倍大きくなっている。
【００５４】
一方、先鋭凸部５近傍の電界は（先鋭な部分がない場合に比べて）１０倍程度になり、電子速度も１０倍程度に向上させることができる。
【００５５】
さて、放射テラヘルツ電界Ｅは、近似的に
Ｅ＝Ｅｂσ／[σ+(１+√ε)/η] 
で与えられる（例えば、Justin T.Darrow, Xi-Cheng Zhang, David H.Auton, and Jeffrey D.Morse, IEEE Journal of Quantum Electronics vol.28 1607 (1992)）。ここで、Ｅbはバイアス電圧、σは導電率、εは誘電率、ηは真空インピーダンスである。一般のフェムト秒レーザの場合には光量が比較的小さく、σ≪(１+√ε)/ηとおけるので、上式は次式のようになる。
【００５６】
Ｅ＝Ｅbση／(１+√ε)
≒ｅｎｖη／(１+√ε)
【００５７】
ここでｅは電子素量、ｎは生成キャリア数、ｖは速度である。
【００５８】
以上より、複数の光伝導スイッチ素子のそれぞれから出射されるテラヘルツ波は、光伝導スイッチ素子が１個しかない従来技術（図１６）に比べて、一素子あたりの電界強度は、１/５０程度（電力では１/２５００）にしかならない。
【００５９】
ところが、本発明では光伝導スイッチ素子が有効数３００個存在する。その出力は、コヒーレント放射状態では、一素子あたりの放射電力の３００2=９００００倍になる。したがって、全光スイッチ素子からの出力（電力）は、光伝導スイッチ素子が１個しかない場合に比べて、約３５倍に向上させることができる。実験結果では、約３０倍の光出力が得られた。
【００６０】
なお、先鋭凸部を形成せず、長方形的な電極凸部の場合、全光スイッチ素子からの出力（電力）は、光伝導スイッチ素子が１個しかない場合に比べて、約０.４倍程度にしかならなかった。この結果より、本発明のように先鋭凸部を正電極に形成し、そこにマイクロレンズからの入射光を集光させることが有効とわかる。
【００６１】
また、図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓのテラヘルツ波放射側に高抵抗Ｓｉレンズ１５をつける。これにより、半絶縁性ＧａＡｓ基板１のテラヘルツ波放射面内部で生じる全反射に防止することができる。全反射に起因していた損失を、Ｓｉレンズにより抑制することができ、高出力化を得ることが可能となった。
【００６２】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。また、図５は、第２の実施形態における電磁波発生装置の他の構成を示す斜視図である。図４および図５は、図１と比較して、石英基板８が複数のマイクロレンズ１２を有する代わりに垂直方向または水平方向の複数のシリンドリカルレンズ２０、２１を有する点が異なっている。
【００６３】
シリンドリカルレンズ２０、２１は一方向しか集光しないため、第１の実施形態に比べて、集光性が弱いが、作製方法が容易であり、製造マージンを拡大することができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。図６は、図１と比較して、石英基板８の代わりに複数のマイクロレンズ２３を有する代わりに垂直方向または水平方向のシリンドリカルレンズ２０、２１を有する点が異なっている。
【００６５】
マイクロレンズ２３は、電極を形成した基板１に直接形成されている（所謂、オンチップレンズ）。これにより、本装置の小型化を図ることができる。このようなオンチップレンズ化は他の実施形態の場合にも適用することができる。
【００６６】
（第４の実施形態）
図７Ａは、本発明の第４の実施形態を先鋭凸部５の配置を示す図である。ただし、図７Ａでは遮光層は省略されている。また図７Ｃは第４の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。図７Ａは、実施の形態１の図１と比較して、先鋭凸部５が行列状に配置され、かつ各行の先鋭凸部５が隣接する行に対して、または各列の先鋭凸部５が隣接する列に対して、半ピッチずれて配置される点が異なる。
【００６７】
先鋭凸部を有する正電極２と負電極３が基板１上に形成されている（簡単のため、３組のみ描いている）。Ｐは先鋭凸部配置の行方向のピッチである。またｉ＝１、２、３・・・である。奇数行目（（２ｉ-１）行目、（２ｉ+１）行目）の先鋭凸部配置と、偶数行目（２ｉ行目）の先鋭凸部配置は、水平方向にＰ/２だけ異なっている。このように、先鋭凸部が奇数行電極と偶数行電極で半ピッチだけずれている場合、それらに対応するマイクロレンズ３３も奇数行目と偶数行目で半ピッチずれる。
【００６８】
さて、入射光を効率的に使用するには、マイクロレンズをできるだけ大きくし、マイクロレンズ間領域は小さいほうが望ましい（隣あうマイクロレンズの間の領域（たとえば領域３４）に入射した光はマイクロレンズによる集光に寄与しない）。ところで、後述のように、マイクロレンズは樹脂を溶かすことで形成することが多いため、隣り合うマイクロレンズが接してはいけない（隣り合うマイクロレンズが接すると、製造工程で隣り合うマイクロレンズ同士が合体し、ひとつの大きなレンズになってしまう）。このためマイクロレンズの最大半径は、マイクロレンズ最外周が接する場合の半径とほぼ等しいと考えてよい。図７Ａの場合、マイクロレンズ間領域の面積が照射領域全体に占める比率は、約９％になる。
【００６９】
一方、図７Ｂのように先鋭凸部が奇数行電極と偶数行電極でずらさない場合、マイクロレンズ３５も奇数行目と偶数行目でずれない。上記同様、隣あうマイクロレンズの間の領域（たとえば領域３６）に入射した光はマイクロレンズによる集光に寄与せず、無効である。この配置において、マイクロレンズの半径をほぼ許容最大にした場合、マイクロレンズ間領域の面積（領域３６のように、マイクロレンズによる集光が無い領域）が照射領域全体に占める比率は、約２２％になる。すなわち、図７Ａの場合に比べ、入射光が無効となる領域が３倍に増える。
【００７０】
したがって、先鋭凸部５が奇数行電極と偶数行電極で半ピッチずらす構造にすることにより、無効な光を低減させることができ、高効率動作が可能になる。
【００７１】
なお、図７Ｂの場合、先鋭凸部の水平・垂直方向のピッチは共にＰであるが、図７Ｂの場合、水平周期がＰに対し、垂直周期は０.８７Ｐと僅かに小さくなるが、出力特性に対する影響は僅かである。
【００７２】
（第５の実施形態）
図８は第５の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。ただし、石英基板８は省略してある。同図は、図１と比較して、ＳｉＯ２保護膜２４が追加されている点が異なっている。ＳｉＯ２保護膜２４は、電極部分も電極間も覆うように形成されている。電極部分も、ＳｉＯ２保護膜２４で覆われているので、強い電界による空気放電を防ぐことができる。マイクロレンズはこの保護膜上に直接形成してもよい。
【００７３】
（第６の実施形態）
図９は第６の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図１と比較して、高反射膜２５が追加されている点が異なっている。
【００７４】
半絶縁性ＧａＡｓ基板１、電極２、３は、先鋭凸部５近傍を除き、入射フェムト秒レーザ光を反射する高反射膜２５（ＴｉＯ２/ＳｉＯ２多層膜）で覆われている。例えば、マイクロレンズ１２から入射された光は先鋭凸部近傍にスポット１４を形成していても、図のように回転ずれ（θずれ）があるような場合、例えばマイクロレンズ２６を通過し集光された光は、先鋭凸部から離れた位置にスポット２７を形成する。ところが、スポット２７は高反射膜２５上であるため、強い反射光が発生する。そこで反射光により基板１と基板８の位置ずれをチェックすることができ、製造が容易になる。
【００７５】
次に、マイクロレンズの製造方法について説明する。
図１０Ａ、図１０Ｂは、マイクロレンズの製造方法を示す。基板３０（ガラス基板８または電極を形成した半絶縁性ＧａＡｓ基板１）にフォトリソグラフィを用いて（上面からみて正方形の）樹脂３１を形成する（図１０Ａ）。次に約１５０℃、１時間の熱アニールを行うと、樹脂が軟化し表面張力により図１０Ｂのように半球形状となりマイクロレンズ３２が完成する。なお、図１０Ａにおいて、上面からみて長方形の樹脂３１を形成すればシリンドリカルレンズを得ることができる。
【００７６】
（第７の実施形態）
図１１は第７の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図１と比較して、石英基板８の代わりにガラス基板４１を有する点と、電極２が先鋭凸５を有していない点が異なっている。図１２は、動作説明図である。
【００７７】
厚さ３５０μｍの半絶縁性ＧａＡｓ基板１に幅１０μｍ、間隔１００μｍの金電極２(２ａ, ２ｂ, ２ｃ)、３(３ａ, ３ｂ, ３ｃ)が形成されている。この電極２、３は、図１１の上下方向にピッチ１５０μｍで２０組存在する（図１では簡単のため、３組のみ示している）。電極２、３は電圧源４に接続されており、電極２が正電位、電極３が負電位になるように配線されている。電圧源４は一定電圧でもよいし、また、入射フェムト秒レーザ光と同期したパルス電圧を供給してもよい。
【００７８】
厚さ１ｍｍのガラス基板４１（屈折率１.５）の表面には溝（凸部４２、凹部４３）が形成されている。溝ピッチは３００μｍ、溝深さ（凸部と凹部の高低差）は６００μｍとした。これらの値は、ピッチ：１５０〜３００μｍ、深さ３００〜６００μｍでも以下に示すことと同様な結果を得ることができる。
【００７９】
さて、正電極２および負電極３により、基板１には電界が発生するが、その方向は１行ごとに１８０度異なる。すなわち、図１２において、
電極２ａ,３ａによって下向きの電界４４ａ
電極３ａ,２ｂによって上向きの電界４５ａ
電極２ｂ,３ｂによって下向きの電界４４ｂ
（以下同様）
が発生する。
【００８０】
一方、入射フェムト秒レーザ４６は、溝のついたガラス基板４１により、凸部と凹部で時間遅延が発生する。凸部を通過する光は、凹部を通過する光より、（溝深さ）ｘ（ガラス屈折率−空気屈折率）だけ光学長が長くなる。本実施形態では、６００μｍｘ(１.５-１)＝３００μｍの光学長差があり、これは、１ｐｓｅｃの時間遅延に相当する。図１２でわかるように、凹部を通過する光は上向きの電界４５（４５ａ, ４５ｂ ,・・・）を受け、ＴＨｚ波４７（４７ａ, ４７ｂ, ・・・）を発生させる。一方、凸部を通過する光は、１ｐｓｅｃ遅れて下向きの電界４４（４４ａ, ４４ｂ ,・・・）を受け、ＴＨｚ波４８（４８ａ, ４８ｂ, ・・・）を発生させる。ＴＨｚ波の有効なパルス幅は一般に１ｐｓｅｃ未満であるので、ＴＨｚ波４７、ＴＨｚ波４８はお互いに干渉しあうことはない。すなわち、電界４５、４４の向きが逆であっても、そこから発生するＴＨｚ波が打ち消しあうことはなく、全ＴＨｚ出力（ＴＨｚ波４７＋ＴＨｚ波４８）を高めることができる。また、本素子では、（印加電界方向が逆でも）チップ表面に遮光を必要とする領域がなく、外部から電界印加されたすべての光伝導スイッチ素子を用いることができ、（出力に寄与しない）不要領域が無い。つまりコストパフォーマンスの高い素子を実現することができる。
【００８１】
なお、凸部と凹部を通過する二つの光の時間遅延量によって、ＴＨｚ波４７＋ＴＨｚ波４８から構成される全ＴＨｚ波のスペクトルを、狭帯域化、もしくは、不要な周波数のカットを実現することができる。これにより、所望の周波数のみに出射ＴＨｚエネルギーを集めることができ、分析応用には有用である。たとえば、溝４２、４３が形成されたガラス基板４１は取り外し式にしておき、複数用意しておく。それらの溝の深さは相異なることにしておくことにより、基板４１を交換することで、異なる時間遅延量を付加することが可能になる。
【００８２】
（第８の実施形態）
図１３は第８の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図１１と比較して、ガラス基板４１の凸部および凹部に形状がシリンドリカルレンズ形状である点が異なっている。
【００８３】
ガラス基板４１の溝（４２、４３）の表面に微小シリンドリカルレンズの集光素子を形成している。この微小シリンドリカルレンズによって、入射レーザ光１０（スポットは拡大され１１のようになっている）は、例えば、光線１３にように集光され、細長いスポット１４のようになる。これにより、光伝導スイッチ素子の入射領域のみに、入射レーザ光１０を集光することができ、効率的な動作をさせることができる。
【００８４】
（第９の実施形態）
図１４は第９の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図１１と比較して、ガラス基板４１の凸部および凹部の上にマイクロレンズが形成されている点と、電極２の形状とが異なっている。
【００８５】
正電極２には、先鋭凸部５が上下両側に設けてある（負電極に対向する両辺にある）。また、ガラス基板４１の溝（４２、４３）には、マイクロレンズ９が形成されており、先鋭凸部５に入射光が集光されている。前述のように、先鋭凸部を設け、そこに光を集中することにより、出射テラヘルツ波を更に強めることができる。
【００８６】
（第１０の実施形態）
図１５は第１０の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。同図は、図１１と比較して、ガラス基板４１の裏面にマイクロレンズ４９が形成されている点が異なっている。
【００８７】
ガラス基板４１裏面は（溝がなく）平面であるので、より容易にマイクロレンズを形成することができる。なお、第８の実施形態でシリンドリカルレンズを溝の表面に形成したが、第１０の実施形態と同様に、基板の裏面にシリンドリカルレンズを形成しても同じ効果が得られることは言うまでも無い。
【００８８】
以上の実施形態において、集光素子、遅延段差を集積した基板と電磁波発生基板を別体で述べたが、第３の実施形態のように、すべてをひとつの基板に集積してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明を用いると、高出力な電磁波発生装置を実現することができる。非破壊測定、医療、バイオ、農業、食品、環境などの分野での利用が大きく期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の第１の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態における電磁波発生装置の集光状態を示す図である。
【図３】電磁波発生装置の構成を示す詳細図である。
【図４】第２の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図５】電磁波発生装置の他の構成を示す斜視図である。
【図６】第３の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図７Ａ】第４の実施形態における先鋭凸部５の配置を示す図である。
【図７Ｂ】先鋭部凸５の他の配置を示す図である。
【図７Ｃ】電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図８】第５の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図９】第６の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１０Ａ】マイクロレンズの製造方法を示す図である。
【図１０Ｂ】マイクロレンズの製造方法を示す図である。
【図１１】第７の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１２】電磁波発生装置の動作説明図である。
【図１３】第８の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１４】第９の実施形態における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１５】第１０の実施形態における斜視図である。
【図１６】従来技術における電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１７】従来技術におけるアレイ化した電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【図１８】従来技術におけるアレイ化した電磁波発生装置の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９１】
１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
２、２ａ、２ｂ  電極
３、３ａ、３ｂ  電極
４  電圧源
５  先鋭凸部
６  不透明ポリマー
７  光伝導スイッチ素子表面
８  石英基板
９、２３、２６、３２  マイクロレンズ
１０、１２  フェムト秒レーザ光
１１、１４  スポット
１３  集光作用
１５  高抵抗Ｓｉレンズ
２０、２１  シリンドリカルレンズ
２４  ＳｉＯ２保護膜
２５  高反射膜
３０  基板
３１  樹脂
３３、３５マイクロレンズの最大外周
３４、３６マイクロレンズによる集光が成されない領域
４１  ガラス基板
４２、４２ａ、４２ｂ  ガラス基板凸部
４３、４３ａ、４３ｂ  ガラス基板凹部
４４、４５  電界
４６  入射フェムト秒レーザ光
４７、４８  出射テラヘルツ光
４９裏面マイクロレンズ
１０１、１０７、１２０  半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０２、１０３、１０８、１０９、１２１、１２２  金電極
１０２Ａ、１０３Ａ、１０８Ａ〜Ｅ、１０９Ａ〜Ｅ  電極凸部
１０４、１１０  電圧源
１０５、１１１、１２５  フェムト秒レーザ光
１０６、１１２、１２６  スポット
１２４  不透明膜
【図１】
2007324310.tif 000003
【図２】
2007324310.tif 000004
【図３】
2007324310.tif 000005
【図４】
2007324310.tif 000006
【図５】
2007324310.tif 000007
【図６】
2007324310.tif 000008
【図７Ａ】
2007324310.tif 000009
【図７Ｂ】
2007324310.tif 000010
【図７Ｃ】
2007324310.tif 000011
【図８】
2007324310.tif 000012
【図９】
2007324310.tif 000013
【図１０Ａ】
2007324310.tif 000014
【図１０Ｂ】
2007324310.tif 000015
【図１１】
2007324310.tif 000016
【図１２】
2007324310.tif 000017
【図１３】
2007324310.tif 000018
【図１４】
2007324310.tif 000019
【図１５】
2007324310.tif 000020
【図１６】
2007324310.tif 000021
【図１７】
2007324310.tif 000022
【図１８】
2007324310.tif 000023